Pješačite do neuhvatljivog mjesta za kampiranje, napunjenog dovoljno opreme kako biste se zadržali na trodnevnom povlačenju daleko od kaotičnog gradskog življenja. Ali kad ste spremni otići, shvatite ne samo da vam je umro mobitel, baterija mu je potrošena nakon što je tražila signal cijelo vrijeme kad ste ga bacali, ali ne možete se sasvim sjetiti na koji ste planinar, znači da je GPS na vašem telefonu vaš životni put u stvarnost. Srećom, zbog novog materijala ugrađenog u vaš lonac za kuhanje, sve što trebate je uključiti lonac, zagrijati vodu unutra i uključiti telefon u priključak na koji je spojen. Za samo nekoliko sati vaš će se telefon napuniti i moći ćete se sigurno vratiti u svoj kamion parkiran na tragu staze.
Istraživači sa Sveučilišta u Utahu nedavno su otkrili da netoksični materijal sastavljen od tri kemijska elementa - kalcija, kobalta i terbija - stvara termoelektričnu energiju iz otpadne topline. Sendvičanjem Ca3Co4Og između vrućeg sloja, poput posude za kuhanje, i sloja koji je hladan, poput hrane ili vode unutar lonca, naboj s vrućeg kraja prelazi se kroz hladni kraj, proizvodeći električni napon.
Energija se stvara termoelektričnim postupkom koristeći temperaturne razlike. U ovom slučaju, naučnik o materijalima i inženjerstvo post-doc istraživač Shrikant Saini kaže, čak i jedan stupanj temperaturne razlike stvara napon koji se može detektirati.
"U termoelektričnim materijalima, kada je jedan kraj materijala vruć, a drugi kraj hladan, nosači naboja s vrućeg kraja prelaze materijal na hladni kraj, generirajući električni napon", kaže Saini, vodeći autor ovog papira nedavno objavljeno u Scientific Reports . "Nekoliko miligrama ovog materijala pružit će otprilike mikrovatar električne energije."
Budući da je materijal tako novo otkriće, Saini kaže da su usred analize točnih grama u vatu; međutim, njihova gruba procjena pokazuje da za jedan generirani pogon snage trebaju oko pet grama materijala.
Na ovoj slici toplina iz vruće peći, zajedno s hladnijom vodom ili hranom u posudi za kuhanje, može proizvesti dovoljno električne energije za punjenje mobitela. (Ashutosh Tiwari) Stara poslovica upozorava nas da „ne trošimo, ne želimo“. Ali otpad - energetski otpad - teško je prikupiti. U SAD-u je gotovo polovica naše energije izgubljena zbog neučinkovitosti, a najveći dio naše energije i dalje se stvara iz neobnovljivih naftnih derivata, prirodnog plina i ugljena. Prema američkoj energetskoj karti koju je sačinio Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore, od 97, 4 kvadratnih britanskih termalnih jedinica (ili četverokuta) sirove energije proizvedene u 2013. iz solarne, nuklearne, hidro, vjetra, geotermalne, prirodnog plina, uglja, biomase i nafte, zapravo je korišteno samo 38, 4 četveronošca. To znači da je 59 kvadrata izgubljeno. Pronalaženje načina za prikupljanje i korištenje ove izgubljene energije moglo bi pružiti održiv resurs za budućnost.
"Otpadna toplina doista je u velikoj mjeri previdjena, a opet ogromna akumulacija moguće energije", kaže Jeffrey Urban, direktor neorganskog postrojenja u Molekularnoj livnici u Berkeley Labs. "Termoelektričari su obećavajući način iskorištavanja i iskorištavanja ovog resursa - oni izravno pretvaraju toplinu u električnu energiju bez pokretnih dijelova, radnih tekućina ili druge mehaničke složenosti."
Urban napominje da su učinkovitost, troškovi materijala i jednostavnost primjene važna inženjerijska razmatranja, dodajući, „Zbog složene transportne fizike, termoelektričari obično rade optimalno na samo jednoj određenoj temperaturi.“
Ranije termoelektrične materije sastojale su se od kadmija, telurida ili žive - elementi koji su svi toksični za ljude i, prema Sainijevom istraživanju, nisu tako stabilni kao kombinacija Ca3Co4Og. Također, prethodni termoelektrični materijali nisu skalabilni jer su izvedeni izradom ili izradom monokristala, što je skupo i izazovno. Sainijeva kemijska kombinacija može omogućiti široku primjenu ove termoelektrične tehnologije jer su kemikalije lako dostupne za miješanje i kuhanje kako bi se dobio netoksični materijal, što olakšava proizvodnju u većim serijama. To otkriće čini mogućom izmjenom igre.
"Predviđamo mnoge primjene ovog materijala", kaže Saini. Sveučilište u Utahu prijavilo se za patent. Saini ne može otkriti neke specifične detalje, ali dodaje da bi se novi materijal mogao upotrijebiti u nakitu, loncima i automobilima - ili čak imati buduće medicinske primjene.
Termoelektričnost - ili električna energija proizvedena temperaturnim razlikama - nastala je 1821. kada su Thomas Seebeck i Jean Peltier otkrili pretvorbu topline u električnu energiju. Tri desetljeća kasnije 1851. William Thomson (poznat i kao Lord Kelvin) otkrio je da pokretanje električne struje kroz materijal može zagrijati ili hladiti, ovisno o tome kako se elektroni šire. Od tada se polje nastavlja razvijati dok znanstvenici rade na tome da termoelektriku dovedu do skalabilne tehnologije.
Joshua Zide, izvanredni profesor znanosti o materijalu i inženjerstvu na Sveučilištu Delaware, proučava elemente rijetke zemlje, posebno terbij, što je dio kombinacije kemijskih elemenata za Sainijevo otkriće. Kaže da terbij nije nužno toliko obiljan kao što sugeriraju istraživači, iako količina korištene u kemijskom sastavu može velike količine činiti polemicom.
"[Terbium] je u stvari mnogo češći od teluruma, koji se obično koristi u termoelektrici, ali je zapravo pomalo rijedak", kaže Zide. "To je rezultiralo velikim poskupljenjem posljednjih godina jer je potražnja narasla i za termoelektričnim i za CdTe solarnim fotonaponskim solarnim ćelijama kadmijum-telurid - druge najčešće u prodaji na tržištu]"
Saini kaže da je ovoj termoelektričnoj tehnologiji trebalo gotovo deset godina da se ostvari, a početni je cilj bio stvoriti efikasan materijal prije nego što je tim svojim biografskim zahtjevima dodao bio-friendly. Nakon što je proizvod patentiran, žele ga komercijalno predstaviti. "U ovom trenutku, možemo samo reći da u automobilima postoji puno otpadne topline, koja se može pretvoriti u električnu energiju", kaže Saini.
Budućnost termoelektrične snage je obećavajuća, posebno s ovim novim otkrićem. Art Gossard, profesor emeritus materijala i elektrotehnike i računalnog inženjerstva na Sveučilištu Kalifornija u Santa Barbari, vjeruje da bi nova tehnologija mogla imati buduće primjene u vojnom napredovanju, posebno na cijelom električnom brodu.
"Možete koristiti toplinu koja dolazi iz vaših kotlova i reaktora za proizvodnju električne energije koja bi potom pokretala elektromotor i gurala električni brod", kaže Gossard. "Ovaj bi brod imao prednost što ne ostavlja mnogo vruće vode iza sebe, što ga čini lakšim za praćenje. No, potrebni bi joj megavati snage, a termoelektrična energija još nije postignuta. "
Možda ćemo s ovim materijalom doći tamo.
